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Pharmacological strategies to enhance muscle function in congenital myopathies

English title Pharmacological strategies to rescue RyR1 expression in congenital myopathies
Applicant Treves Susan
Number 184765
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Biomedizin Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Pathophysiology
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2022
Approved amount 441'000.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Pathophysiology
Genetics
Biochemistry
Molecular Biology

Keywords (7)

Congenital muscle disorders; ryanodine receptor; mouse model; calcium; epigenetic modification; down regulation; pathophysiology

Lay Summary (Italian)

Lead
Sviluppo di trattamenti faramcologici per aumentare le funzionalutà di muscoli in pazienti con miopatie congenite
Lay summary

Il recettore della rianodina (RyR1) é una proteina presente nel reticolo sarcoplasmatico del muscolo scheletrico che funge da canale per il calcio; fisiologicamente il RyR1 é attivato dal recettore delle deidropiridine, il sensore del voltaggio presente sulla membrana plasmatica e nei tubuli trasversi. L’ attivazione del RyR1 causa la fuoriuscita di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmatico. Il calcio a sua volta si lega alle proteine contrattili, favorendo la contrazione muscolare. In seguito, i muscoli si rilassano perché gli ioni calcio vengono ripompati nel lume del reticolo sarcoplasmatico. Da questa breve spiegazione e dall’osservazione che topi geneticamente modificati per non esprimere il RyR1 muoiono pochi istanti dopo la nascita, si puo' capire che il RyR1 gioca un ruolo fondamentale nella fisiologia muscolare.

Nell’uomo mutazioni nel RYR1, il gene codificante il RyR1, cuasano diverse malattie tra cui l’ipertermia maligna, le miopatie “Cores”, la miopatia centronucleare, la miopatia da fibre disproporzionali e alcune forme di colpo di calore. Il tipo di malattia dipende dal tipo di mutazione (dominante o recessiva) e dalla localizzazione della mutazione nel gene. Generalmente, mutazioni dominanti hanno un effetto sulle proprietà biofisiche del canale, mentre il meccanismo patologico delle mutazioni recessive non è chiaro. Un risultato comunemente riscontrato in pazienti portatori di mutazioni recessive nel RYR1, è una diminuzione della quantità di proteina RyR1 nel muscolo. Questo causerebbe una diminuzione della quantità di calcio rilasciata dal reticolo sarcoplasmatico causando debolezza muscolare.

Questo progetto è focalizzato sul capire i meccanismi responsabili della notevole diminuzione di proteina RyR1 nei muscoli dei pazienti con mutazioni recessive nel RYR1. Abbiamo precedentemente dimostrato che cambiamenti epigenetici (iper-metilazione di isole CpG, diminuzione di micro RNA e aumentato contenuto di istoni de-acetilasi), accompagnano la diminuzione del RyR1. Inoltre abbiamo scoperto che pazienti con altre forme genetiche di malattie muscolari congenite mostrano cambiamenti epigenetici simili. Lo scopo di questo progetto è di capire i meccanismi che causano i cambiamenti epigenetici e se questi possono essere dei validi bersagli farmacologici. A questo scopo abbiamo creato un topo transgenico portatore di mutazioni identificate in un paziente affetto da Multiminicore Disease. Caratterizzeremo le proprietà funzionali dei muscoli dei topi mutati e wild type. In seguito studieremo se anche nel modello animale avvengono cambiamenti epigenetici simili a quelli osservati nei pazienti. Infine tratteremo i topi con dei farmaci sviluppati per diminuire le attività biologiche degli enzimi epigenetici. Questo progetto é importante per sviluppare delle nuove terapie farmacologiche per trattare la debolezza muscolare che si osserva in molti pazienti con malattie muscolari congenite caratterizzate da diminuzione del RyR1.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.06.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
198526 Deciphering Complex Signaling in Disease Using a Next-Generation High-Resolution LC-MS Platform 01.05.2021 R'EQUIP
146198 RYR1 mutations and neuromuscular disorders: mechanism of action of dominant and recessive mutations in skeletal muscle and smooth muscle cells 01.07.2013 Project funding (Div. I-III)
204547 Functional consequences of RYR1 mutations on the human immune system 01.12.2021 Project funding (Div. I-III)
169316 Congenital neuromuscular disorders: insight into the mechanisms leading to reduced RyR1 expression 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Calcium is a universal second messenger regulating different biological functions from muscle contraction and neuronal excitability, to gene transcription and cell death. Physiologically, Ca2+ signals result both from the release of Ca2+ from intracellular stores (endo/sarcoplasmic reticulum) as well as influx from the extracellular environment, via the opening of channels on the plasma membrane. The Ca2+ that is stored in the endoplasmic/sarcoplasmic reticulum is released into the cytoplasm via the opening of intracellular calcium channels belonging to the inositol trisphosphate receptor and ryanodine receptor family.Type 1 ryanodine receptor (RyR1) is the channel responsible for releasing Ca2+ from skeletal muscle sarcoplasmic reticulum after plasma membrane depolarization. RyR1plays a fundamental role in muscle physiology as illustrated by the fact that ryr1-/- mice die immediately after birth and that in humans, mutations in RYR1, the gene encoding the RyR1, lead to several neuromuscular disorders including Malignant Hyperthermia, Core myopathies, Centronuclear myopathy, Congenital Fiber Type Dysproportion and exertional heat stroke. The disease phenotype resulting from RYR1 mutations largely depends on their location within the RYR1 coding sequence and whether the mutations are dominant or recessive. Dominant mutations are more commonly associated with the Malignant Hyperthermia Susceptibility/exertional rhabdomyolysis and Central Core Disease phenotypes, while most cases of Multiminicore Disease, Centronuclear myopathy and Congenital Fiber Type Dysproportion phenotypes are associated with recessive mutations. From a general point of view, dominant RYR1 mutations affect the biophysical properties of the Ca2+ channel, while recessive mutations have a more modest effect on the biophysical properties of the Ca2+ channel, and their precise mode of action has not been investigated in detail. A consistent finding in muscle biopsies of patients with autosomal recessive RYR1 myopathies is the significant decrease of RyR1 protein; a decrease in sarcoplasmic reticulum Ca2+ channels would be associated with less Ca2+ release leading to less efficient muscle contraction and weaker muscles. In the past few years our research has focused on understanding the mechanisms responsible for the drastic decrease in RyR1 content. Our results have shown that profound epigenetic modifications occur in muscles of patients with recessive RYR1 mutations, including RYR1 CpG island hyper-methylation, decrease in muscle-specific microRNA content and abnormal expression of class II histone deacetylases. Interestingly, a decrease in RyR1 protein in the muscles of patients with congenital myopathies caused by mutations in other genes including MTM1, SELENON, NEB hve also been observed, indicating that a common pathomechanism of disease, consequent to the primary genetic mutation, may exist.The aim of this project is to gain insight into the mechanisms causing the epigenetic modifications and validate whether they represent valid pharmacological targets. In order to do this we will use a knock in animal model we have generated, carrying two RYR1 mutations that were identified in a severely affected patient (namely RYR1 p.Q1970fx/p.A4329D). We will examine whether (i) skeletal muscles from the mouse model exhibit similar pathophysiological and epigenetic changes as those reported in human patients and (ii) investigate whether class II HDAC and DNA methyltransferase inhibitors constitute suitable pharmacological agents to improve the muscle function of the RYR1 mutant mouse model. Additionally we will investigate the muscles of human patients with congenital myopathies that share as a common feature reduced RyR1 protein content, in order to verify whether common molecular signatures caused by the altered activity of enzymes involved in chromatin modification (HDACs and DNA methylating enzymes) occur. We think that discovering a common pharmacological target downstream the primary genetic defect could potentially benefit a large number of patients with congenital myopathies of diverse genetic causes.
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